兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (1): 44-57.doi: 10.12382/bgxb.2022.0319
收稿日期:
2022-04-28
上线日期:
2024-01-30
通讯作者:
基金资助:
YU Yilei1, WANG Xiaodong1, REN Wenke1, GAO Guangfa1,2,*()
Received:
2022-04-28
Online:
2024-01-30
摘要:
为了研究相同面密度下Kevlar/SiC-TC4-超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合靶板的复合结构参数对其抗弹性能的影响和失效机理,选用4组不同厚度组合的靶板试样,并使用12.7mm穿燃弹以相同着靶速度(488m/s)进行弹道冲击实验。使用扫描电子显微镜(SEM)研究复合装甲板在弹道侵彻下的损伤模式。实验结果表明:在所述实验条件下8mm+2mm+10mm厚度组合的Kevlar/SiC-TC4-UHMWPE复合靶板是最佳的抗侵彻工程应用结构;在同等面密度条件下,将 1mm 厚陶瓷替换成同等面密度的TC4钛合金背板(约0.5mm厚)时,复合装甲板的抗弹道侵彻性能提升了约29.69%,可见钛合金的结构参数对复合装甲板抗弹性能的影响权重大于SiC;钛合金背板面密度的增加不仅增强了对陶瓷的支撑作用,而且增加了弹-靶作用时间,提升了复合靶板的整体防护性能;12.7mm穿燃弹侵彻后复合装甲板的损伤模式包括SiC碎裂、钛合金背板少量隆起变形及十字形拉伸撕裂损伤、UHMWPE层合纤维背板剪切断裂、层间分离和纤维拉伸;在整体复合装甲的设计中,应将高抗剪材料放置在背板的前几层,将高抗拉材料放置在背板后几层,以充分利用每种材料。
中图分类号:
余毅磊, 王晓东, 任文科, 高光发. 三层组合陶瓷复合装甲的抗侵彻性能及其损伤机制[J]. 兵工学报, 2024, 45(1): 44-57.
YU Yilei, WANG Xiaodong, REN Wenke, GAO Guangfa. Anti-penetration Performance and Damage Mechanism of Three-layer Composite Ceramic Armor[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(1): 44-57.
材料 | 弹性模 量/GPa | 密度/ (kg·m-3) | 泊松 比 | 屈服强 度/MPa | 硬度 | 断裂韧性/ (MPa·m1/2) |
---|---|---|---|---|---|---|
SiC陶瓷 | 3196 | 3150 | 0.16 | 9.5* | 3.4 | |
TC4钛合金 | 106.1 | 4530 | 0.33 | 1040 | 30 | |
T12A钢 | 197 | 7830 | 0.30 | 3544 | 58# |
表1 实验用SiC陶瓷、TC4钛合金板及T12A钢的力学性能参数
Table 1 Properties of SiC ceramics, TC4 titanium alloy plates and T12A for testing
材料 | 弹性模 量/GPa | 密度/ (kg·m-3) | 泊松 比 | 屈服强 度/MPa | 硬度 | 断裂韧性/ (MPa·m1/2) |
---|---|---|---|---|---|---|
SiC陶瓷 | 3196 | 3150 | 0.16 | 9.5* | 3.4 | |
TC4钛合金 | 106.1 | 4530 | 0.33 | 1040 | 30 | |
T12A钢 | 197 | 7830 | 0.30 | 3544 | 58# |
E11/ GPa | E22/ GPa | E33/ GPa | ν12 | ν13 | ν23 | G11/ GPa | G22/ GPa | G33/ GPa |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
153 | 11.3 | 11.3 | 0.3 | 0.3 | 0.4 | 6 | 6 | 3.6 |
XT/ MPa | XC/ MPa | YT/ MPa | YC/ MPa | ST/ MPa | SC/ MPa | ρ/ (g·cm-3) | ||
2357 | 1580 | 130 | 650 | 340 | 180 | 0.96 |
表2 UHMWPE复合材料层压板的力学性能参数[22]
Table 2 Properties of UHMWPE laminated composite[22]
E11/ GPa | E22/ GPa | E33/ GPa | ν12 | ν13 | ν23 | G11/ GPa | G22/ GPa | G33/ GPa |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
153 | 11.3 | 11.3 | 0.3 | 0.3 | 0.4 | 6 | 6 | 3.6 |
XT/ MPa | XC/ MPa | YT/ MPa | YC/ MPa | ST/ MPa | SC/ MPa | ρ/ (g·cm-3) | ||
2357 | 1580 | 130 | 650 | 340 | 180 | 0.96 |
实验编号 | Kevlar/SiC-TC4-UHMWPE复合靶板配置 | 复合靶板总厚度/ mm | 面密度/(kg·m-2) | ||
---|---|---|---|---|---|
SiC陶瓷厚度/mm | TC4钛合金板厚度/mm | UHMWPE纤维板厚度/mm | |||
1 | 11±0.20 | 10±0.20 | 21.31±0.01 | 44.58 | |
2 | 21.57±0.01 | 44.32 | |||
3 | 10.00±0.20 | 1.00±0.10 | 10.00±0.20 | 21.12±0.01 | 45.24 |
4 | 22.01±0.01 | 44.95 | |||
5 | 9.00±0.20 | 1.50±0.10 | 10.00±0.20 | 20.96±0.01 | 44.31 |
6 | 21.03±0.01 | 44.69 | |||
7 | 8.00±0.20 | 2.00±0.10 | 10.00±0.20 | 20.84±0.01 | 44.75 |
8 | 20.95±0.01 | 43.32 |
表3 实验用Kevlar/SiC-TC4-UHMWPE复合靶板的结构及参数
Table 3 Specifications of Kevlar/SiC-TC4-UHMWPE composite target plate fortest
实验编号 | Kevlar/SiC-TC4-UHMWPE复合靶板配置 | 复合靶板总厚度/ mm | 面密度/(kg·m-2) | ||
---|---|---|---|---|---|
SiC陶瓷厚度/mm | TC4钛合金板厚度/mm | UHMWPE纤维板厚度/mm | |||
1 | 11±0.20 | 10±0.20 | 21.31±0.01 | 44.58 | |
2 | 21.57±0.01 | 44.32 | |||
3 | 10.00±0.20 | 1.00±0.10 | 10.00±0.20 | 21.12±0.01 | 45.24 |
4 | 22.01±0.01 | 44.95 | |||
5 | 9.00±0.20 | 1.50±0.10 | 10.00±0.20 | 20.96±0.01 | 44.31 |
6 | 21.03±0.01 | 44.69 | |||
7 | 8.00±0.20 | 2.00±0.10 | 10.00±0.20 | 20.84±0.01 | 44.75 |
8 | 20.95±0.01 | 43.32 |
实验编号 | 靶板规格 | v0/(m·s-1) | H/mm | d/mm | t/mm | 毁伤状况 |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 11*Kevlar/SiC-10*UHMWPE | 499.3 | 87.32 | 108.32 | CP | |
2 | 11*Kevlar/SiC-10*UHMWPE | 495.7 | 85.18 | 104.68 | 1.5 | CP |
3 | 10*Kevlar/SiC-1*TC4-10*UHMWPE | 520.2 | 78.05 | 96.65 | 2.4 | CP |
4 | 10*Kevlar/SiC-1*TC4-10*UHMWPE | 500.9 | 73.19 | 92.19 | 2.0 | CP |
5 | 9*Kevlar/SiC-1.5*TC4-10*UHMWPE | 495.5 | 62.35 | 80.05 | 2.8 | CP |
6 | 9*Kevlar/SiC-1.5*TC4-10*UHMWPE | 480.9 | 57.53 | 75.03 | 3.0 | CP |
7 | 8*Kevlar/SiC-2*TC4-10*UHMWPE | 505.4 | 49.76 | 66.16 | 3.6 | CP |
8 | 8*Kevlar/SiC-2*TC4-10*UHMWPE | 493.0 | 46.28 | 62.48 | 3.8 | CP |
表4 弹丸侵彻速度和Kevlar/SiC-TC4-UHMWPE复合靶板弹道测试结果
Table 4 Projectile penetration velocity and ballistic test results of Kevlar/SiC-TC4-UHMWPE composite target plate
实验编号 | 靶板规格 | v0/(m·s-1) | H/mm | d/mm | t/mm | 毁伤状况 |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 11*Kevlar/SiC-10*UHMWPE | 499.3 | 87.32 | 108.32 | CP | |
2 | 11*Kevlar/SiC-10*UHMWPE | 495.7 | 85.18 | 104.68 | 1.5 | CP |
3 | 10*Kevlar/SiC-1*TC4-10*UHMWPE | 520.2 | 78.05 | 96.65 | 2.4 | CP |
4 | 10*Kevlar/SiC-1*TC4-10*UHMWPE | 500.9 | 73.19 | 92.19 | 2.0 | CP |
5 | 9*Kevlar/SiC-1.5*TC4-10*UHMWPE | 495.5 | 62.35 | 80.05 | 2.8 | CP |
6 | 9*Kevlar/SiC-1.5*TC4-10*UHMWPE | 480.9 | 57.53 | 75.03 | 3.0 | CP |
7 | 8*Kevlar/SiC-2*TC4-10*UHMWPE | 505.4 | 49.76 | 66.16 | 3.6 | CP |
8 | 8*Kevlar/SiC-2*TC4-10*UHMWPE | 493.0 | 46.28 | 62.48 | 3.8 | CP |
序号 | Dt/ mm | Db/ mm | 陶瓷半锥角 | 径向 裂纹数 | ||
---|---|---|---|---|---|---|
样本 数量 | 样本均 值 / (°) | 测量不确定度 max{| -θ|}/ (°) | ||||
1 | 25.26 | 109.98 | 7 | 69.54 | 2.19 | 13 |
2 | 25.71 | 110.12 | 9 | 69.83 | 2.62 | 15 |
3 | 25.73 | 110.81 | 10 | 70.18 | 3.16 | 10 |
4 | 25.62 | 108.51 | 11 | 71.26 | 2.78 | 12 |
5 | 24.39 | 110.26 | 7 | 74.89 | 1.24 | 11 |
6 | 25.81 | 103.17 | 7 | 72.14 | 1.68 | 9 |
7 | 24.27 | 103.85 | 6 | 78.31 | 3.41 | 7 |
8 | 25.98 | 107.18 | 8 | 77.43 | 3.15 | 8 |
表5 陶瓷半锥角及径向裂纹数理统计结果
Table 5 Mathematical statistical results of half-cone angle and radial cracks of ceramic
序号 | Dt/ mm | Db/ mm | 陶瓷半锥角 | 径向 裂纹数 | ||
---|---|---|---|---|---|---|
样本 数量 | 样本均 值 / (°) | 测量不确定度 max{| -θ|}/ (°) | ||||
1 | 25.26 | 109.98 | 7 | 69.54 | 2.19 | 13 |
2 | 25.71 | 110.12 | 9 | 69.83 | 2.62 | 15 |
3 | 25.73 | 110.81 | 10 | 70.18 | 3.16 | 10 |
4 | 25.62 | 108.51 | 11 | 71.26 | 2.78 | 12 |
5 | 24.39 | 110.26 | 7 | 74.89 | 1.24 | 11 |
6 | 25.81 | 103.17 | 7 | 72.14 | 1.68 | 9 |
7 | 24.27 | 103.85 | 6 | 78.31 | 3.41 | 7 |
8 | 25.98 | 107.18 | 8 | 77.43 | 3.15 | 8 |
参数 | 实验1 11*Kevlar/SiC-10*UHMWPE | 实验2 11*Kevlar/SiC-10*UHMWPE | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
H/mm | 87.32 | 85.18 | ||||||
D/mm | 20.19 | 26.34 | 18.42 | 26.98 | 10.75 | 28.10 | 19.17 | 24.65 |
参数 | 实验3 10*Kevlar/SiC-1*TC4-10*UHMWPE | 实验4 10*Kevlar/SiC-1*TC4-10*UHMWPE | ||||||
H/mm | 78.05 | 73.19 | ||||||
D/mm | 29.32 | 20.20 | 19.90 | 14.91 | 25.45 | 10.17 | 29.20 | 31.56 |
参数 | 实验5 9*Kevlar/SiC-1.5*TC4-10*UHMWPE | 实验6 9*Kevlar/SiC-1.5*TC4-10*UHMWPE | ||||||
H/mm | 62.35 | 57.53 | ||||||
D/mm | 17.62 | 6.33 | 22.78 | 25.64 | 17.46 | 28.10 | 18.23 | 7.61 |
参数 | 实验7 8*Kevlar/SiC-2*TC4-10*UHMWPE | 实验8 8*Kevlar/SiC-2*TC4-10*UHMWPE | ||||||
H/mm | 49.76 | 46.28 | ||||||
D/mm | 17.82 | 18.62 | 11.18 | 7.29 | 10.53 | 13.18 | 13.69 | 10.13 |
表6 UHMWPE层合纤维板锥形鼓包隆起高度及边缘颈缩距离
Table 6 Conical bulge height and edge necking distance of UHMWPE laminated fiberboardlaminated fiberboard
参数 | 实验1 11*Kevlar/SiC-10*UHMWPE | 实验2 11*Kevlar/SiC-10*UHMWPE | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
H/mm | 87.32 | 85.18 | ||||||
D/mm | 20.19 | 26.34 | 18.42 | 26.98 | 10.75 | 28.10 | 19.17 | 24.65 |
参数 | 实验3 10*Kevlar/SiC-1*TC4-10*UHMWPE | 实验4 10*Kevlar/SiC-1*TC4-10*UHMWPE | ||||||
H/mm | 78.05 | 73.19 | ||||||
D/mm | 29.32 | 20.20 | 19.90 | 14.91 | 25.45 | 10.17 | 29.20 | 31.56 |
参数 | 实验5 9*Kevlar/SiC-1.5*TC4-10*UHMWPE | 实验6 9*Kevlar/SiC-1.5*TC4-10*UHMWPE | ||||||
H/mm | 62.35 | 57.53 | ||||||
D/mm | 17.62 | 6.33 | 22.78 | 25.64 | 17.46 | 28.10 | 18.23 | 7.61 |
参数 | 实验7 8*Kevlar/SiC-2*TC4-10*UHMWPE | 实验8 8*Kevlar/SiC-2*TC4-10*UHMWPE | ||||||
H/mm | 49.76 | 46.28 | ||||||
D/mm | 17.82 | 18.62 | 11.18 | 7.29 | 10.53 | 13.18 | 13.69 | 10.13 |
[1] |
doi: 10.1016/j.dt.2019.02.002 URL |
[2] |
余毅磊, 蒋招绣, 王晓东, 等. 背板对氧化铝陶瓷薄板断裂锥形态的影响[J]. 北京理工大学学报, 2021, 41(7): 713-720.
|
|
|
[3] |
|
[4] |
doi: 10.1016/0020-7225(78)90066-6 URL |
[5] |
|
[6] |
doi: 10.1016/j.jmatprotec.2007.05.050 URL |
[7] |
doi: 10.1016/j.msea.2013.12.101 URL |
[8] |
doi: 10.1016/j.ceramint.2019.08.095 URL |
[9] |
doi: 10.14429/dsj.67.10664 URL |
[10] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2018.11.006 URL |
[11] |
孙素杰, 赵宝荣, 王军, 等. 不同背板对陶瓷复合装甲抗弹性能影响的研究[J]. 兵器材料科学与工程, 2006, 29(2): 70-72.
|
|
|
[12] |
doi: 10.1016/j.compstruct.2021.115125 URL |
[13] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2014.07.008 URL |
[14] |
doi: 10.1177/0731684420929084 URL |
[15] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2015.10.014 URL |
[16] |
doi: 10.2514/1.45362 URL |
[17] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2021.104035 URL |
[18] |
doi: 10.1016/j.dt.2020.05.001 |
[19] |
doi: 10.1016/j.euromechsol.2013.04.002 URL |
[20] |
doi: 10.1007/s11340-015-0051-z URL |
[21] |
|
[22] |
doi: 10.1016/j.compositesb.2019.107578 URL |
[23] |
|
[24] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2019.103332 URL |
[25] |
|
[26] |
余毅磊, 王晓东, 任文科, 等. 陶瓷/金属复合靶受12.7 mm穿甲燃烧弹侵彻时弹靶破碎特征[J]. 兵工学报, 2022, 43(9): 2307-2317.
|
|
|
[27] |
余毅磊, 蒋招绣, 王晓东, 等. 轻型陶瓷/金属复合装甲抗垂直侵彻过程中陶瓷碎裂行为研究[J]. 爆炸与冲击, 2021, 41(11):82-91.
|
|
|
[28] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2017.12.021 URL |
[29] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2015.07.011 URL |
[30] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2016.12.008 URL |
[31] |
|
[32] |
|
[33] |
|
[34] |
侯海量, 朱锡, 李伟. 轻型陶瓷/金属复合装甲抗弹机理研究[J]. 兵工学报, 2013, 34(1):105-114.
doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2013.01.019 |
|
|
[35] |
doi: 10.1016/j.ceramint.2016.11.087 URL |
[36] |
doi: 10.1016/j.ijmecsci.2014.03.020 URL |
[37] |
张铁纯, 王陆军, 胡昂, 等. 弹体撞击角度对TC4薄板抗半球形弹冲击性能影响[J]. 机械强度, 2021, 43(3):546-553.
doi: 10.16579/j.issn.1001.9669.2021.03.006 |
|
|
[38] |
doi: 10.1016/j.compstruct.2017.04.033 URL |
[39] |
|
[40] |
doi: 10.1016/j.compstruct.2015.08.107 URL |
[1] | 许礼吉, 段卓平, 白志玲, 吴艳青, 黄风雷. RDX基PBX炸药热损伤演化行为的量化表征[J]. 兵工学报, 2023, 44(7): 2002-2013. |
[2] | 刘彦, 王百川, 闫俊伯, 闫子辰, 时振清, 黄风雷. 侵彻作用下负泊松比蜂窝夹芯结构动态响应[J]. 兵工学报, 2023, 44(7): 1938-1953. |
[3] | 刘宇航, 黄广炎, 张宏, 周宏元. 高性能复合纤维的防刺机理[J]. 兵工学报, 2022, 43(9): 2143-2151. |
[4] | 司鹏, 白帆, 刘彦, 闫俊伯, 黄风雷. 不同厚度比陶瓷/金属复合装甲抗弹性能[J]. 兵工学报, 2022, 43(9): 2318-2329. |
[5] | 董方栋, 杨耿, 王舒, 王志军, 冯志威. 刚性破片侵彻层合板运动模型[J]. 兵工学报, 2022, 43(9): 2350-2359. |
[6] | 李永鹏, 徐豫新, 张健, 花培鑫, 赵晓旭. SiC陶瓷/UHMWPE纤维复合结构抗12.7mm穿甲燃烧弹试验与仿真[J]. 兵工学报, 2022, 43(6): 1355-1364. |
[7] | 张林, 陈斌, 谭清华, 张炜, 高颂. 陶瓷复合装甲抗14.5mm穿燃弹侵彻性能[J]. 兵工学报, 2022, 43(4): 758-767. |
[8] | 郭登刚, 周强, 刘睿, 陈鹏万. 铝-镁-铝轻质金属层状复合靶抗弹性能[J]. 兵工学报, 2021, 42(3): 598-606. |
[9] | 付杰, 李伟萍, 黄献聪, 刘强, 刘晓林, 马天. 新型超高分子量聚乙烯膜材料防弹性能及机理[J]. 兵工学报, 2021, 42(11): 2453-2464. |
[10] | 黄竣皓, 王琳, 刘小品, 徐雪峰, 刘安晋, Tayyeb Ali, 周哲, 宁子轩, 杨佳彬, 张斌斌, 程兴旺. Ti-6321钛合金力学性能和抗弹性能[J]. 兵工学报, 2021, 42(1): 124-132. |
[11] | 杨振祥, 郭智威, 袁成清. 石墨微胶囊改性超高分子量聚乙烯舰船水润滑尾轴承复合材料的摩擦学性能[J]. 兵工学报, 2020, 41(11): 2281-2291. |
[12] | 孙非, 曲一, 徐诚. 超高分子量聚乙烯材料软质防弹衣抗弹性能老化衰减规律研究[J]. 兵工学报, 2018, 39(11): 2249-2255. |
[13] | 刘坤, 吴志林, 宁建国, 任会兰, 李忠新. 手枪弹对带软防护的明胶靶标侵彻机理与实验研究[J]. 兵工学报, 2018, 39(1): 1-17. |
[14] | 王宗炼, 任会兰, 宁建国. 基于小波变换的混凝土压缩损伤模式识别[J]. 兵工学报, 2017, 38(9): 1745-1753. |
[15] | 侯海量,朱锡,李伟. 轻型陶瓷/金属复合装甲抗弹机理研究[J]. 兵工学报, 2013, 34(1): 105-114. |
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